DE1576867C - Im Kühlmittelstrom eines Kernreaktors angeordneter Dampferzeuger - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen im Kühlmittelstrom eines Kernreaktors angeordneten Dampferzeuger mit mehreren Wärmetauschern, von denen einer ein Überhitzer und einer ein mit getrennt herausgeführten Anschlüssen versehener Zwischenüberhitzer ist.

Ein Dampferzeuger dieser Art ist bekannt (USA.-Patentschrift 3 254 633). Er umfaßt einen Überhitzer, einen Zwischenüberhitzer' und einen Verdampfer, wobei der Überhitzer im Kühlmittelstrom des Kernreaktors stromauf aller übrigen Wärmetauscher angeordnet ist. Der bekannte Dampferzeuger ist gegen Temperaturschwankungen empfindlich, wie diese gerade in einem Kernreaktor in besonderem Maße auftreten. Um solche Temperaturschwankungen aufnehmen zu können, ist bei ihm eine besonders starke Überdimensionierung der Rohre und ein komplizierter Aufbau der Wärmetauscher erforderlich. Dies trifft insbesondere für den Überhitzer zu, der üblicherweise aus relativ dünnwandigen Rohren bestehen soll. Weiter tritt noch der Nachteil auf, daß die dünnwandigen Rohre des Überhitzers auf Grund ihrer geringen thermischen Trägheit bei Übertemperaturen des Kühlmittels des Kernreaktors Störungen im Arbeitsmitlelkreislauf bewirken können, zumindest aber die Regelung des Arbeitsmittelkreislaufs schwierig machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dampferzeuger gegen die Schwankungen der Temperatur des Kühlmittelstroms eines Kernreaktors unempfindlich zu machen und bei trotzdem infolge Übertemperaturen des Kühlmittelstroms eingetretenen Undichtigkeiten der Wärmetauscher den Schaden zu begrenzen.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Dampferzeuger der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Zwischenüberhitzer im Kühlmittelstrom des Kernreaktors stromauf aller übrigen Wärmetauscher einschließlich des Überhitzers angeordnet ist und daß seine Anschlüsse wahlweise mit einer gesonderten Kühlmittelquelle verbindbar sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Dampferzeuger sorgen die gegenüber dem Überhitzer üblicherweise eine größere Wandstärke aufweisenden Rohre des Zwischenüberhitzers auf Grund ihrer größeren thermischen Trägheit im Normalbetrieb für einen weitgehenden Ausgleich der Temperaturschwankungen des Kühlmittelstroms des Kernreaktors, so daß dadurch die Anforderungen an die bauliche Ausbildung und die Regelung des Überhitzers verringert sind. Bei einem Verlust des flüssigen oder gasförmigen Arbeitsmittels der übrigen Wärmetauscher sorgt die Verbindung des Zwischenüberhitzers mit einer gesonderten Kühlmittelquelle für einen starken Wärmeentzug aus dem Kühlmittelstrom des Kernreaktors, wodurch die übrigen Wärmetauscher vor Überhitzung bewahrt werden und der aufgetretene Schaden begrenzt bleibt. Diese Wirkung ist gerade bei einem Kernreaktor auf Grund der Gefahr einer Verseuchung des Arbeitsmittelkreislaufs besonders wertvoll.

Um mit dem Überhitzer im Störungsfall eine schnelle Abkühlung zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn die Temperatur des Kühlmittels der gesonderten Kühlmittelquelle geringer ist als die betriebsmäßige Eintrittstemperatur des den Zwischenüberhitzer durchströmenden Dampfes.

Umfaßt der Dampferzeuger neben dem Zwischenüberhitzer und dem Überhitzer einen weiteren, dem Überhitzer vorgeschalteten Wärmetauscher, beispielsweise einen Verdampfer, wobei die Rohre des Überhitzers aus einem anderen Material bestehen als die mit ihnen verbundenen Rohre des weiteren Wärmetauschers, so wird gemäß einer Ausgestaltung vorgesehen, daß das den Zwischenüberhitzer mit Dampf speisende Rohr den Überhitzer und den weiteren Wärmetauscher axial durchsetzt, daß geschweißte Verbindungsstellen der Rohre des Überhitzers mit

ίο Rohren des weiteren Wärmetauschers außen an dem den Zwischenüberhitzer speisenden Rohr angeordnet sind und daß der Kühlmittelstrom des Kernreaktors mittels eines Leitblechs von den Verbindungsstellen ferngehalten ist. Die thermisch besonders empfindliehen geschweißten Verbindungsstellen werden auf diese Weise betriebsmäßig etwa auf der Eintrittstemperatur des den Zwischenüberhitzer durchströmenden Dampfes gehalten und werden im Störungsfalle von dem dem Zwischenüberhitzer von der gesonderten Kühlmittelquelle zugeführten Kühlmittel gekühlt, noch bevor dieses in den Zwischenüberhitzer eintritt.

Das den erhitzten Dampf von dem Zwischenüberhitzer abführende Rohr ist vorzugsweise koaxial innerhalb des den Zwischenerhitzer mit Dampf speisenden Rohres angeordnet. Das thermisch besonders hoch beanspruchte, den Dampf von dem Zwischenerhitzer abführende Rohr muß lediglich den Druckunterschied zwischen dem Speisedampf des Zwischenüberhitzers und dem erhitzten Dampf aufnehmen, während nur das äußere, den Zwischenüberhitzer speisende kühlere Rohr dem Druckunterschied zu dem Kühlmittel des Kernreaktors ausgesetzt ist.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Schnitt durch einen Kernreaktor, der gemäß der Erfindung ausgeführte Dampferzeuger umfaßt,

F i g. 2 einen axialen Schnitt durch einen Dampferzeuger,

F i g. 3 einen Schnitt durch den Dampferzeuger gemäß F i g. 2 entlang der Linie 3-3,

F i g. 4 einen Schnitt durch den Dampferzeuger gemäß F i g. 2 entlang der Linie 4-4.

Der in Fig. 1 dargestellte Kernreaktor umfaßt einen Reaktorkern 12, der Wärme in einem Kernspaltungsprozeß erzeugt. Der Reaktorkern 12 wird von nicht gezeigten Hilfseinrichtungen in einem zylindrischen Raum 22 gehalten, der von dem Reaktorgehäuse 11 umgeben ist. Der Kernreaktor ist gasgekühlt; bei anderen Bauarten kann das Kühlmittel auch eine Flüssigkeit sein. Das Kühlmittel wird mittels Umwälzeinrichtungen 13 gefördert, und der erfolgte Kühlmittelstrom wird durch eine Anzahl von in ihm angeordneten Dampferzeugern 14 geleitet, die gleichartig aufgebaut und gleich groß sind. Im Raum 22 sind Leitwände angebracht, die den Kühlmittelstrom in gewünschter Weise kanalisieren. So sind eine den Reaktorkern 12 in einem Abstand umgebende zylindrische Wand 24, ein unterhalb des Reaktorkerns 12 angeordneter, dicht am unteren Rand der Wand 24 sich anschließender oberer Boden 20 und ein unterer Boden 26 vorgesehen, der den Raum 22 unterteilt und mit der Auskleidung 23 dicht verbunden ist. Das Kühlmittel wird innerhalb der zylindrischen Wand 24 über den Reaktorkern 12 und

dann durch die Dampferzeuger 14 nach unten geführt. Die Umwälzeinrichtungen 13 fördern dann das Kühlmittel aus dem unterhalb des unteren Bodens

26 gelegenen Teil des Raums 22 wieder in dessen oberen Teil.

Den Dampferzeugern 14 wird Wasser oder zu erhitzender Dampf zugeführt, und erhitzter Dampf wird von ihnen abgeführt, wozu Rohranordnungen

27 von den zugehörigen Dampferzeugern 14 nach unten führen. Die Rohranordnungen 27 umfassen jeweils eine Vielzahl von Rohren. Sie durchsetzen das Reaktorgehäuse 11, wozu in diesem Durchführungen 28 vorgesehen sind. Die einzelnen Rohre der Rohranordnungen 27 sind an ein Dampf-Wasser-System 29 angeschlossen, von dem Speisewasser in die Dampferzeuger geleitet und von dem Dampf beispielsweise einer Turbine zum Antrieb von elektrischen Generatoren zugeleitet wird. Die Anzahl der Dampferzeuger 14 hängt von dem in dem Raum 22 verfügbaren Platz und von der verlangten Reaktorleistung ab. Es ist ein zentraler Durchlaß 25 von genügend großem Durchmesser mit abnehmbarem Verschluß 30 vorgesehen, um im Falle einer Reparatur einzelne Dampferzeuger 14 herausnehmen zu können.

Ein einzelner Dampferzeuger 14 ist in den F i g. 2 bis 4 dargestellt. Er umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 31, das einen Teil des Kühlmittelstroms des Kernreaktors leitet, und in dem Gehäuse 31 axial hintereinander angeordnete Wärmetauscher. Deren Rohre sind gebündelt in geeigneter Weise im Gehäuse 31 angeordnet. Anbringungsmittel für die Rohrbündel sind nicht gezeigt; die Bündel können z. B. auf quer verlaufenden gelochten Blechen angeordnet sein, die mit gegenseitigem Axialabstand im Inneren des Gehäuses 31 auf Querträgern befestigt sind. Der untere Rand des Gehäuses 31 ist mit der Außenkante eines Ringflansches 32 verbunden, der sich vom inneren Rand eines Montageringes 33 nach oben und außen erstreckt. Das in die offene Oberseite des Dampferzeugers 14 eintretende Kühlmittel wird, nachdem es die Wärmetauscher des Dampferzeugers durchsetzt hat, in den Raum unterhalb des unteren Bodens 26 geleitet. Zu diesem Zweck ist der untere Boden mit einer Öffnung 34 versehen, über der der Dampferzeuger 14 angebracht ist. Die Befestigung erfolgt mit Hilfe eines Klemmrings 36, an dem sich ein nach außen gerichteter Flansch 37 befindet, der mittels Schrauben 38 abnehmbar mit dem unteren Boden 26 verbunden ist. Der untere Boden 26 wird im Abstand von der Auskleidung 23 durch eine Anzahl Ständer 39 getragen, von denen jeder von einer Lastverteilerplatte 41, die auf der Auskleidung 23 aufliegt, nach oben weist. Schrauben 42 führen durch den unteren Boden und die Ständer 39 und sind in Einsätze 43 eingeschraubt. Der Montagering 33 ist gegenüber dem Klemmring 36 mittels Gleitringen 44 abgedichtet, die eine axiale Bewegung des Dampferzeugers 14 gegenüber dem unteren Boden 26 auf Grund von Wärmedehnungen ermöglichen. Wie aus F i g. 4 erkennbar, sind die verschiedenen Dampferzeuger 14 mit gegenseitigem Abstand so eingebaut, daß die Ränder der Flansche 37 der verschiedenen Dampferzeuger 14 unmittelbar nebeneinander liegen.

In jeder Durchführung 28 ist eine Abschlußanordnung vorgesehen, die einen Austritt von Kühlmittel oder verseuchtem Material verhindert. Der Dampferzeuger 14 ist an der Abschlußanordnung jeweils mit einer Anzahl radialer Rippen 46 angebracht. Die Rippen 46 erstrecken sich von dem Montagering 33 aus radial nach innen und nach unten. Ihre unteren Ränder stützen sich auf eine Ringschulter 47, die von der Wand eines Abschlußrohres 48 nach außen vorspringt. Die Innenränder der Rippen 46 sind mit der Wand des Abschlußrohres 48 verbunden. Das Abschluß rohr 48 reicht nach unten durch dieDurchführung 28 bis zur Außenseite des Reaktorgehäuses 11. Die Auskleidung 23 des Raums 22 ist ebenfalls durch die Durchführung 28 nach außen geführt, und das Abschlußrohr 48 weist an seinem unteren Ende 49 einen Außenflansch auf, der an die Auskleidung 23 angeschweißt ist. Am Außenumfang des Abschlußrohrs 48 ist in der Nähe des oberen Rands der Durchführung 28 eine Ringdichtung 51 vorgesehen, die elastisch nachgiebig ist und daher sowohl axiale wie auch radiale Wärmebewegungen des Abschlußrohrs 48 gegenüber der Auskleidung 23 erlaubt.

Der Dampferzeuger 14 umfaßt mehrere Wärmetauscher, darunter einen Zwischenüberhitzer 62. Die Rohranordnung 27 weist zwei konzentrische Rohre 52, 53 auf, die dem Zwischenüberhitzer 62 Dampf zuführen bzw. von ihm Dampf abführen. Das Anschlußrohr 48 ist an dem äußeren Rohr 52 mittels zwei Stegen 54, 56 befestigt. Jeder der beiden Stege 54, 56 weist einen zylindrischen Abschnitt und einen unteren, radial nach innen gerichteten Ringflansch auf. Der untere Steg 56 ist nicht wie der obere mit dem Rohr 52 fest verbunden, sondern sein unterer Flansch ist mit einer ringförmigen, elastischen Dichtung 57 versehen, so daß sich das Rohr 52 bei Wärmebewegungen axial gegenüber dem Steg 56 verschieben und ausdehnen kann. Die Bauweise der Abschlußanordnung erlaubt eine weitgehende axiale und radiale Wärmeexpansion ihrer Bauteile, wobei trotzdem eine sichere Abdichtung erzielt wird.

Der Dampferzeuger 14 umfaßt neben dem Zwischenüberhitzer 62 einen Verdampfer 58 und einen diesem im Wasser-Dampf-Strom nachgeschalteten Überhitzer 59. Die Rohre 16, 63 aller dieser Wärmetauscher verlaufen jeweils in Schraubenlinien und sind in koaxial angeordneten Rohrbündeln zusammengefaßt. Der Betriebsdruck des Verdampfers 58 und des Überhitzers 59 ist wesentlich höher als der Druck des Kühlmittels. Um den Verteiler 17 und den Sammler 18 für den Verdampfer 58 und den Überhitzer 59 nicht neben der Druckbelastung auch noch einer Temperaturbelastung durch das Kühlmittel auszusetzen, sind sie außerhalb des Reaktorgehäuses 11 angeordnet. Der Verteiler 17 steht mit dem Verdampfer 58 über Rohre 19, der Sammler 18 mit dem Überhitzer 59 über Rohre 21 in Verbindung. Diese Rohre 19 und 21 sind Teil der Rohranordnung 27. Bei der gezeigten Ausführungsform geht jedes Rohr 19, 21 in ein Rohr 16 einer der beiden Wärmetauscher über. Es kann aber auch die Anzahl der an den Verteiler 17 und den Sammler 18 angeschlossenen Rohre 19,21 verringert werden, wenn kleine zusätzliche Verteiler- bzw. Sammlerkammern im Reaktorgehäuse 11 untergebracht werden. In diesem Fall sollten jedoch an jede dieser Kammern maximal vier Rohre 16 der Wärmetauscher angeschlossen sein. Es wird dann in jedem Fall der Vorteil erreicht, daß bei einem Bruch eines Rohres 19,16 oder 21 nur eine relativ langsame Druckzunahme und ein schwacher Dampfverlust innerhalb des Reaktorgehäuses 11 her-

vorgerufen wird. Zum Aufspüren einer derartigen Druckzunahme oder eines Auftretens von Dampf können innerhalb des Reaktorgehäuses 11 geeignete Fühlelemente angebracht sein, die die Einleitung von Sicherheitsmaßnahmen auslösen, bevor ein gefahr- !icher Zustand erreicht wird.

Die den Überhitzer 59 bildenden Rohre 16 bestehen aus einem hochlegierten Stahl, damit sie neben den hohen Drücken auch den hier auftretenden hohen Temperaturen widerstehen. Die Rohre 16 des Verdampfers 58 erfordern dagegen ein weniger hochwertiges Material, weil die Temperaturen dort niedriger liegen. Die geschweißten Verbindungsstellen 60 der aus verschiedenen Materialien bestehenden Rohre 16 könnten leicht reißen, wenn sie den hohen Temperaturen des Kühlmittels ausgesetzt würden. Um dies zu vermeiden, sind die Verbindungsstellen 60 außen an dem den Zwischenüberhitzer 62 mit Dampf speisenden, den Verdampfer 58 und den Überhitzer 62 axial durchsetzenden Rohr 52 angeordnet. Ein gebogenes Leitblech 61 verläuft zudem von dem Rohr 52 oberhalb der Verbindungsstellen 60 nach außen, ist dann vertikal nach unten an den Verbindungsstellen 60 vorbeigeführt und ist unterhalb von ihnen bis zur Berührung mit dem Rohr 52 nach innen gewandt. Dadurch wird erreicht, daß der Kühlmittelstrom des Kernreaktors von den Verbindungsstellen 60 ferngehalten wird.

Der Zwischenüberhitzer 62 besteht aus Rohren 63, die im wesentlichen in konzentrischen Schraubenlinien verlaufen. Der Betriebsdruck des Zwischenüberhitzers 62 liegt bei oder wenig unter dem Druck des Kühlmittels. Daher können Verteiler und Sammler für die Rohre 63 innerhalb des Dampferzeugers 14 liegen. Das obere Ende des inneren, dampfabführenden Rohres 53 weist einen nach außen gerichteten Ringfiansch 66 auf, der mit der Innenwand der Endkammer 64 verbunden ist und diese in eine ringförmige Verteilerkammer 67 und eine Sammlerkammer 68 unterteilt. Da der zu erhitzende Dampf durch das äußere Rohr 52 zugeführt wird, befindet sich dieses gegenüber dem inneren Rohr 53 auf einer niedrigeren Temperatur und kann daher leichter einem Druckunterschied widerstehen, der zwischen dem Kühlmittel und dem Dampf herrscht. Das untere Ende 65 des inneren Rohrs 53 ist faltenbalgartig ausgebildet und durchsetzt eine Wand 70, die quer im äußeren Rohr 52 liegt. Die Wand 70 bildet zusammen mit dem geschlossenen unteren Ende des Rohrs 52 einen Raum für die Aufnahme des zwischenüberhitzten Dampfs. Eine Mündung 72 ist im Anschluß an eine nicht gezeigte Leitung vorgesehen. Mit dem äußeren Rohr 52 steht oberhalb der Wand 70 eine Mündung 71 in Verbindung, durch die Dampf zugeführt wird.

Dadurch, daß der Zwischenüberhitzer 62 im Kühlmittelstrom stromauf des Überhitzers 59 angeordnet ist, werden von ihm alle ungewöhnlichen Schwankungen der Kühlmitteltemperatur gedämpft, bevor das Kühlmittel den Überhitzer 59 erreicht. Dessen bauliche Ausführung ist dadurch, daß er so vor extremen Temperaturschwankungen geschützt ist, wesentlich erleichtert.

Weiter kann der Zwischenüberhitzer 62 dank seiner Lage im Notfall zur Kühlung eingesetzt werden, indem er beim Auftreten einer unzulässig hohen Temperatur des Kühlmittels, eines Bruchs der Rohre 16 oder eines Lecks im Wasser-Dampf-System mit einer gesonderten Kühlmittelquelle, dem in F i g. 1 dargestellten Hilfskühlmittelsystem 69, verbunden wird. Hierbei werden die Mündungen 71, 72 der Rohre 52,53 über nicht gezeigte Schieber so umgeschaltet, daß ein Notkühlstrom, z. B. ein Strom kalten Wassers, durch die Leitungen 63 des Zwischenüberhitzers 62 fließt. Das Kühlmittel des Hilfskühlsystems 69 hat eine wesentlich niedrigere Temperatur als die betriebsmäßige Eintrittstemperatur des den Zwischenüberhitzer 62 durchströmenden Dampfs, so daß sich die von dem Zwischenüberhitzer 62 bewirkte Wärmeabfuhr im Notfall erheblich steigern läßt. Der Zwischenüberhitzer 62 kann dadurch so viel Wärme aus dem Kühlmittel des Kernreaktors abführen, daß eine Überhitzung und Zerstörung der Rohre 16 und 63 aller Wärmetauscher 58, 59, 62 vermieden wird.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Im Kühlmittelstrom eines Kernreaktors angeordneter Dampferzeuger mit mehreren Wärmetauschern, von denen einer ein Überhitzer und einer ein mit getrennt herausgeführten Anschlüssen versehener Zwischenüberhitzer ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenüberhitzer (62) im Kühlmittelstrom des Kernreaktors stromauf aller übrigen Wärmetauscher (58,59) einschließlich des Überhitzers (59) angeordnet ist und daß seine Anschlüsse (71, 72) wahlweise mit einer gesonderten Kühlmittelquelle (69) verbindbar sind.

2. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Kühlmittels der gesonderten Kühlmittelquelle (69) geringer ist als die betriebsmäßige Eintrittstemperatur des den Zwischenüberhitzer (62) durchströmenden Dampfes.

3. Dampferzeuger nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Zwischenüberhitzer, einem Überhitzer und einem weiteren, dem Überhitzer vorgeschalteten Wärmetauscher, wobei die Rohre des Überhitzers aus einem anderen Material bestehen als die mit ihnen verbundenen Rohre des weiteren Wärmetauschers, dadurch gekennzeichnet, daß das den Zwischenüberhitzer (62) mit Dampf speisende Rohr (52) den Überhitzer (59) und den weiteren Wärmetauscher (58) axial durchsetzt, daß geschweißte Verbindungsstellen (60) der Rohre (16) des Überhitzers (59) mit Rohren (16) des weiteren Wärmetauschers (58) außen an dem den Zwischenüberhitzer (62) speisenden Rohr (52) angeordnet sind und daß der Kühlmittelstrom des Kernreaktors mittels eines Leitbleches (61) von den Verbindungsstellen (60) ferngehalten ist.

4. Dampferzeuger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dampf von dem Zwischenüberhitzer (62) abführende Rohr (53) koaxial innerhalb des den Zwischenüberhitzer (62) mit Dampf speisenden Rohres (52) angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen